高效低成本静态平面太阳能聚集器的制作方法

1.本发明涉及根据高效和低成本传感器的创新方法的太阳能收集和聚集领域。根据本发明的装置使得可以省去现有的定日方法，该定日方法特别笨重、低效、体积大且昂贵。
2.太阳能无疑是最符合全球能源需求和应对气候挑战的nre(新的可再生能源)的来源。本发明涉及太阳能捕获和聚集领域，并且能够回收多于90％的入射太阳能，几乎900w/m2，即比常规pv(光伏)技术多10倍。
3.当前的nre解决方案(诸如pv或csp(聚集式太阳能发电))由于以下原因而不能充分满足当前和未来能量需求：它们几乎只有6％至20％的非常低的“实际”效率、它们的价格高、它们使用需要专家的复杂和昂贵装置来实现、它们在它们的制造期间生成污染、需要使用大量的有限土地资源、它们的部件不可回收、它们的产品单一(仅电力)以及需要消耗水进行昂贵的维护(特别是在沙漠环境中)。
4.此外，这些方法需要主要基于昂贵且污染的电池的存储装置，其容量特别有限。另外，除了碟式斯特林型(dish-stirling type)的重抛物线方法之外，现有方法不能获得高效率所需的高聚集速率，所述重抛物线方法是圆形的，因此不能优化收集器面积并增加占用区域。
5.此外，现有装置为了它们的操作或提高它们的生产率而需要非常笨重、体积大和非常昂贵的定日组件，该定日组件对天气条件特别敏感并且需要大的表面积，同时生成有害的阴影区，该阴影区由于阴影效应导致高达70％的区域损失。
6.本发明通过提供用于捕获和聚集太阳能的极其智能、有效、耐用和环境友好的解决方案而克服了这些问题，这归因于非常低成本且非常高效率的极其简单、有效且尤其创新的太阳能聚集方法，因为其主要由再循环和可回收材料制成。另外，可以容易地生产碳足迹接近于零的装置。
7.本发明可以用于多种应用，例如(但不限于)：
[0008]-一般而言，高效太阳能聚集；
[0009]-经由pv(光伏)、热力学、珀耳帖(peltier)或其它方法产生电能；
[0010]-蒸汽或热流体生产；
[0011]-制热或制冷、空调；
[0012]-照明；
[0013]-饮用水生产；
[0014]-用于加热或熔化诸如钢制品、玻璃制品、炼钢等材料的能量密集型工业方法；
[0015]-火电厂和核电厂等的太阳能改造；
[0016]-氢气生产或各种化学方法；
[0017]-卫星、电台或航天器、非地面基地的供应；
[0018]-天文应用或探测，
[0019]
等。
[0020]
具有菲涅尔反射镜的不同类型的太阳能发电站是已知的，其包括用于一组反射镜
的支撑件，所述一组反射镜由称为主反射镜的反射镜条组成，每个反射镜条相对于支撑件围绕称为主轴线的相应旋转轴线枢转，并且旨在收集太阳光线，以便将它们聚集在具有相同或不同性质的一个或更多个聚集器元件的方向上。
[0021]
困难在于聚集器的定向，在给定聚集器的重量的情况下需要非常坚固的机构，该机构也经受恶劣天气和经常波动的气候条件的影响。为了降低成本，菲涅尔聚集器的原理也在使用称为“紧凑线性反射器”的平面(扁平)反射镜的现有技术中使用，其比抛物面反射镜便宜。这些反射镜中的每一者可以跟随太阳的路径旋转，以不断地将太阳光线转向并聚集到吸收器管。
[0022]
另外，现有装置使用可移动反射镜，可移动反射镜的反射部分位于玻璃块的后部，该玻璃块的厚度显著地降低了光学性能，并且涉及较大玻璃块以确保组件的强度和耐久性。
[0023]
其它方法使用抛物面反射镜，如在碟式斯特林方法中，这使得可以获得最佳性能，但是不利于组件的复杂性、成本、占地面积和对天气条件的极端敏感性。


背景技术：

[0024]
专利申请us20110088694a1在现有技术中是已知的，其描述了一种改进的流体流量计量装置，该流体流量计量装置包括光增强丙烯酸块流管以优化压力读数的可视化。led或其它光源被安装在流管的顶部，并从上方照亮浮子或筒管以提供更准确的读数，尤其是在诸如现代手术室之类的弱光条件下。另外，本光增强型流管在更新的电子系统出现故障的情况下可以提供机械备份，且视觉上与图形流量显示部匹配，同时提供电子系统的双重检查。
[0025]
背景技术的缺点
[0026]
现有技术的解决方案的缺点在于，所使用的光学反射镜构成极其笨重的元件，需要在表示整个捕获表面的反射镜上进行定日跟踪，所述光学反射镜非常易碎且特别昂贵，并且损失不可忽略的能量，大约10％至15％，因为光线必须穿过较大玻璃块，从而导致有害的光学像差。申请us20110088694a1强调了使分布在环形包络上的小平面倾斜的重要性，并且本领域技术人员决不会为了保持平面主收集器解决方案而忽略这些特征。
[0027]
因此，已知的解决方案需要坚固且昂贵的基础设施，从而需要大量且昂贵的基础设施和安装后勤，并且它们的定日运动还需要非常昂贵且强大的自动化系统，尤其是使用需要持续维护的多个计算机和控制/旋转装置。
[0028]
暴露于恶劣天气限制了这些聚集器的寿命，其更换或维护非常昂贵并且需要利用大量的水来定期清洁，这特别在沙漠环境中是不可接受的。
[0029]
此外，由现有技术的材料制成的聚焦装置由于透镜或光学系统对光线的折射角取决于它们的波长的事实而表现出不期望的消色差效应，这导致只能通过添加校正光学器件来校正的图像的放大。结果是这种聚焦装置相对复杂，并且与使用本发明提出的平面反射镜和静态反射镜的聚焦装置相比，所允许的太阳辐射传输效率较低。另外，当辐射穿过光学装置的材料时，发现辐射发生了不可忽略部分丢失。
[0030]
本发明提供的解决方案
[0031]
为了弥补这些缺点，本发明在其最一般的意义上涉及一种太阳能聚集器，该太阳
能聚集器包括被称为“传感器”的至少一个反射第一初级收集器，该至少一个反射第一初级收集器是平面且静态的，理想地垂直于天顶或太阳的高位置安装，该至少一个反射第一初级收集器经由合适的光学装置(例如，菲涅耳型的)将光朝向被称为“聚集器”的非常小尺寸的定日次级收集器预聚焦，该定日次级聚集器聚集光并且将其返回到捕获或能量转换单元。
[0032]
所述聚集器的特征在于，反射表面是可变形的，以确保必要的光学校正或调整。该聚集器被布置在框架上，该框架可以在一个或更多个维度上移动，这允许定日跟踪以及使所聚集的太阳通量返回在集成到该结构中的任何目标上该任何目标例如位于该传感器的中心处，或者相反是远程的。
[0033]
这样形成的光学组件使得可以在地球表面上捕获和聚集和超过900w/m2的太阳能，并且在地球大气外可以捕获和聚集更多的太阳能。例如，由于自粘膜卷的简单退绕或自支撑结构的组装，安装迅速，并且生产非常便宜。
[0034]
本发明涉及一种两级太阳能聚集器。第一级包括将光朝向次级收集器预聚焦的第一初级收集器。
[0035]
该第二次级收集器构成了在能量转换单元的方向上聚集光的第二级。
[0036]
基本特征涉及以下这样的事实：该初级收集器是平面且静态的，并且特别地由柔性或刚性雕刻膜或压纹膜中的一者构成。
[0037]
本发明的非限制性示例的详细描述
[0038]
通过参考附图阅读以下本发明的非限制性示例的详细描述，将更好地理解本发明，在附图中：
[0039]-图1示出了根据本发明的装置的整体视图。
[0040]
在下面的描述中明确指出，以下特征中的一个或更多个特征可以单独采用或以任何技术上可能的组合采用。
[0041]
架构的示意描述
[0042]
图1非常示意性地示出了根据本发明的非限制性示例的太阳能聚集器的总体架构。
[0043]
该架构包括设置在支撑件7上的平面主传感器1。该平面传感器将光束聚集并使光束返回到次级聚集器2，该次级聚集器2继而将太阳能返回到包括例如吸热器的目标或集热元件3。该次级聚集器2由框架4支撑，该框架4基于年和天的时间确保其定向。
[0044]
传感器的描述
[0045]
传感器构成100％的捕获表面，其主要特征是平面且静态，并且具有可以大于98％的反射率。传感器收集太阳通量并将其预聚焦。本发明的主要优点之一在于，因为捕获表面的形状不是圆形，而是正方形或矩形，所以该表面可以被完美地优化。
[0046]
这可以理想地由例如柔性膜1形成，例如，聚(乙烯-共四氟乙烯)(poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene))，更通常被缩写为etfe。这是热塑性含氟聚合物，该热塑性含氟聚合物是乙烯/四氟乙烯交替共聚物或任何其它合适的基材，无论它是什么。
[0047]
etfe比玻璃(d＝2.5)轻，并且其成本比玻璃的成本低达70％。etfe能够支撑其重量的400倍，并且表现出高耐磨性，并且可以在宽温度范围(从-80℃至155℃)内使用。etfe不是复合材料，也是可回收和可注射的。此外，这种材料具有超过40年的长寿命。
[0048]
例如由etfe制成的柔性或刚性膜1具有棱柱表面结构以形成例如菲涅耳型结构。膜1的厚度通常在200微米至400微米之间，但可以根据需要具有任何类型的厚度，并且膜1可以在其下部覆盖有自粘层以有助于其在支撑件上的固定。
[0049]
传感器可以仅很容易地由刚性结构组成，该刚性结构尤其可以是自支撑的并因此形成顶部，该组件理想地能够由可回收和可再循环的材料制成。
[0050]
理想地，微观结构的轮廓可以优选地具有断裂的棱柱脊部，以形成具有不同角度的若干斜率的光学装置，这使得可以增加接收角，接收角本来是约60
°
并且能够通过该方法加倍。接收角是在太阳通量的行程期间捕获太阳通量的有用角。
[0051]
这些微结构通过诸如纳米压印、热模制或冷模制或者压纹之类的批量制造方法以及例如许多其它技术来生产，母版本身可以利用工业中使用的诸如半导体生产(icp蚀刻和电子平版印刷)之类的方法或者任何其它合适的方法来制造，诸如压印中使用的偏移方法，尤其是刻有负结构(以浮凸压印在膜上)的滚筒。
[0052]
传感器1的微结构例如使用诸如lighttools(商品名)之类的软件来配置。
[0053]
膜1可以在模具中压纹或模制，从而在微结构的聚集入射太阳通量的基部形成棱柱的图案，或通过任何其它合适的方法(诸如蚀刻或烧蚀)产生。
[0054]
在一些情况下，焦点可以有利地移位一定角度以补偿某些光学效应，以校正相对于太阳的高定向角(顶部/支撑件非常倾斜或不良定向)，以增加接收角(使得可以完全利用聚集的最大有用角)，以限制某些变形或甚至补偿与太阳的行进以及因此与焦点相关的几何缺陷(入射角越高，焦点的几何变形越大，因此可以预期通过在天顶点(zenith point)的任一侧移动焦点来补偿这种效应)。
[0055]
使得有可能增大接收角并且相关地增大生产率的另一种解决方案包括一种棱柱结构或其它方法，该棱柱结构或其它方法包括多个层级，这些层级包括捕获和聚集以例如在180
°
至90
°
之间的角度入射的太阳能的一个或更多个层级，以及具有在90
°
至0
°
之间的角度值的一个或更多个其它层级。
[0056]
另一有利的另选方式可以包括例如全息照相/微珠或其它类型的自校正或自聚集方法。
[0057]
菲涅耳型膜的表面也理想地涂覆有：
[0058]
粘合层，该粘合层允许下面的层具有优异的粘合性以及针对腐蚀或氧化的良好的化学绝缘性，
[0059]-一个或更多个反射层或电介质涂层，例如通过金属化形成，使得可以理想地覆盖ir/可见光光谱；
[0060]-光学透明材料层，使得可以填充三维菲涅耳型反射光学微结构的空隙，从而防止它们被诸如灰尘之类的光学污染物和其它污染物填充。该层还可以借助其特性来补偿诸如消色差之类的某些不期望的效果。
[0061]
所施加的不同层生成光学像差、折射、部分反射以及对总体性能有损害的其它现象，这些可以以各种方式或通过添加适于补偿这些不利影响的一个或更多个界面(层、结构、浮凸、几何形状等)来补偿。
[0062]
保护层可以例如是简单的清漆或任何合适的涂层，但其优选是硬的和化学绝缘的，例如，由sio2或陶瓷沉积物产生，保护层暴露于开放空气的外部结构是全疏型或超全疏
型(疏水性、疏油性等)，该性质例如经由微浮凸或合适几何形状的结构来获得，从而避免对光学性能有损害的元素(诸如水、雪、霜、灰尘、滴落物、非牛顿产品和各种污染物)的粘附，因此避免清洁或维护传感器，并保护传感器免受任何化学腐蚀(例如：大气污染物)、机械攻击(例如：冰雹)或侵蚀(例如：沙尘暴)。
[0063]
所述全疏性保护层可以例如是mof(金属有机框架)类型，或由多孔有机金属结构构成，其使用烃键来连接多维结构中的金属离子。
[0064]
用于制造膜及其各种组成层的所有方法可以理想地在超真空下在连续退绕卷的宽幅型机器上执行，因此允许高工业生产率和非常低的生产成本。在这种情况下，所述机器理想地配备有用于通过离子轰击来清洁表面的过程或适合于此目的的任何方法，这使得可以排放对各层的制造质量有损害的任何污染物。
[0065]
膜1通过胶粘或任何其它方法固定在刚性支撑件7上，该刚性支撑件7优选地是平面的和稍微倾斜的。该刚性支撑件可以由整平且压缩的砂或水泥的板、或金属板或玻璃顶的组件(诸如，在温室中)构成，或者甚至由用于张紧膜1的系统或光伏结构构成，光伏结构的低效率将有利地被本发明替代。
[0066]
该支撑件7理想地具有至少几度的轻微斜度，以允许排放雨水和其它污染物，诸如灰尘。
[0067]
聚集器的描述
[0068]
聚集器接收来自焦点根据太阳的行进而移动的传感器的预先聚集的太阳通量。聚集器充当定日镜并且在校正某些光学聚集缺陷之后将预聚集的太阳通量返回到目标。必要的光学校正来自于传感器结构的几何形状，而且来自于源自传感器的支撑件中的不规则性的缺陷，所述传感器结构的几何形状生成对获得高质量焦点有损害的光学变形。当传感器例如是正方形并且接收器是另一形状(例如圆形)时，校正也可能是必要的。
[0069]
根据不同的变型，根据本发明的聚集器具有以任何组合采取的以下特征中的一个或更多个特征：-该聚集器在一个或更多个致动器或等效装置的作用下是可变形的以便确保动态补偿。
[0070]-该聚集器可以包括由任何致动器装置构成的次级补偿装置，诸如，通过一个或更多个轴作用在次级光学器件的整个表面上的马达。聚集器的变形使得可以尤其通过放大或缩小它来优化目标上的焦点以调节必要的功率。
[0071]-聚集器被设置在允许定日跟踪的框架上。
[0072]-所述框架具有沿一个或更多个轴铰接的环箍型的可移动支撑件以及可选地具有平移装置，该平移装置可以是支撑所述次级光学器件的可移动托架型，以补偿年和日振幅以及由于某些因素(诸如，风)引起的变化。
[0073]-所述框架具有由一个或更多个致动器控制的臂，致动器的运动由适当的控制装置控制。
[0074]-该聚集器可以理想地包括摄像头或任何适于获取形成在集热元件、吸收器或目标上的太阳图像的传感器，并且其中，所述框架包括一个或更多个致动器，该一个或更多个致动器例如由计算机控制，该计算机可选地包括用于分析所述聚焦图像以重新计算托架的位置的装置，以及可选地包括其它功能，诸如温度或聚焦图像控制，或甚至安全隐藏装置。同样，所述致动器可以由适当的机械装置控制。
[0075]-所述聚集器可以将超聚集光通量注入到光纤或一束专用太阳能光纤中，该光纤或一束专用太阳能光纤将光能传输到目标或远程热转换器。
[0076]
聚集器2可以由几个不同的反射镜(串联的几个聚集器)(使得可以生成到达目标的复杂运动)或一组聚集器组成。
[0077]
定日装置可以包括设置在传感器附近或远离传感器的一个或更多个支撑件，该一个或更多个支撑件由合适的装置驱动，诸如微型马达、定位器、千斤顶、减速器、机械装置和任何自动或非自动方法驱动。在最佳版本中，定日装置可以包括支撑次级光学器件的单个臂或由该单个臂构成，所述单个臂通过一个或更多个轴上的装置移动，并且固定在合适的支撑件上，整体能够接收位置、安全、停止或偏移传感器，并且能够在极端天气条件、安装或维护期间设置在安全位置。
[0078]
这个臂或任何支撑件可以可选地包含并保护自适应光学器件的控制电缆和其它电缆或部件或装置或流体(诸如，旨在保护和冷却光学表面的冷却剂或空气流或者清洁流体)。
[0079]
该臂或该聚集器组件可以有利地具有调整轴或附加的自动或非自动轴，从而使得可以遵循季节性变化并且根据地理位置执行校正。该装置尤其适合于装备卫星、空间站或航天器。
[0080]
在该臂的端部是聚集器的自适应光学组件，该聚集器的反射镜包括用于所需波长的非常高反射的表面，例如电介质或多电介质类型的反射表面，该表面能够承受来自传感器的强烈太阳通量，并且以各种方式保护免受诸如灰尘、污染物、气象要素等的外部侵害。
[0081]
自适应光学器件的优点是能够根据需要修改最终焦点并校正任何缺陷或像差。如果以圆形传感器开始，则初级焦点在其垂直于法线(太阳在赤道的天顶)时也将是圆形的。当太阳处于掠入射(与法线相切)时，光学像差使焦点变形，其变成或多或少细长的椭圆体。这种变形会损害最终焦点的质量，并且甚至会损害接收器或旨在接收聚集能量的目标。
[0082]
自适应光学器件因此吸收这些像差，并通过修改由可变形反射镜引起的预测或非预测的演变变形来校正这些像差。反射镜被以合适的材料(或一组材料)设计、具有非常低的厚度、能够接纳反射基板并且经受或多或少的显著变形。使用具有高导热率的薄材料允许易于劣化或破坏可变形反射镜及其支撑件的任何可能的温度升高被容易地排放，可变形反射镜及其支撑件能够接纳热排放和温度维持或稳定装置。
[0083]
聚集器2还可以由可变形反射镜或具有花冠或刚性圆形扇区的反射镜的组件构成，其倾斜允许改变焦点。
[0084]
可变形反射镜可以采用不同的形状、圆形、正方形或其它形状，并且可以是一件式或由多个元件构成，这些元件相对柔软或柔性，以便能够以大角度进行可逆变形，从而允许获得高质量的焦点。
[0085]
可变形反射镜由称为致动器的合适装置致动，该致动器作用在反射镜的结构上以获得期望结果。这些致动器可以以各种方式并且根据多种方法来生产，诸如：压电陶瓷、微马达、电磁体、千斤顶以及使得可以临时或连续地作用在反射镜上的任何机械装置，并且可以是实现最终目标的一组方法和技术。
[0086]
该可变形反射镜组件可以配备有传感器和控制元件，使得可以检查多个参数，诸如：温度升高、反射率水平、尺寸控制、致动器位置、测试、几何变形、几何校正、控制和焦点
校正。
[0087]
可变形反射镜和定日装置组件以及所有附件可以经由任何pv或其它类型的方法独立地供电，或者可以由远程控制和操控站供电。
[0088]
可变形反射镜组件及其附件在圆顶或其它类型的装置中受到保护，该装置具有适于该组件的几何形状，或者该装置可以具有任何形状，诸如花形。该保护装置包括可变形反射镜、其致动器、可能的控制或命令电子器件以及一个或更多个保护装置，诸如，遮光板(shutter)或旨在生成保护反射镜并可能冷却反射镜的气流的装置。
[0089]
圆顶或保护装置还可以容纳某些控制和命令元件，这些控制和命令元件旨在检查与传感器相关的某些参数，尤其是其几何形状、总体表面状况、反射率、初级焦点的质量或者外来要素(雪、滴落物、污染物、对象、动物、等)的存在或不存在。
[0090]
该圆顶或保护装置可以根据需要可选地在一个或更多个轴上定向，例如以在特殊条件(雪、冰雹、沙尘暴、工作、测试、维护等)期间保护该组件，或者以特定的角度或定向击中目标。该圆顶或保护装置还可以支撑其它反射镜，这些反射镜可以是固定的或可移动的，并且针对非常具体的需要可以是或可以不是可变形的。
[0091]
圆顶或保护装置还可以结合一组传感器，该组传感器旨在例如控制目标的参数、天气控制装置或者旨在扫描天空以预测需要保护组件的多云通道或异常条件。
[0092]
该圆顶或保护装置可以包括遮光板或隐藏机构，该遮光板或隐藏机构在该组件发生故障的情况下也充当安全装置并且使得可以中断来自该传感器的全部或部分太阳通量。
[0093]
当超过功率时，聚集器的可变形反射镜可以使太阳通量散焦，以避免任何过热或甚至暂时将全部或部分通量发送到目标外部的表面。
[0094]
聚集器装置或者定位在传感器的焦点处，或者稍微定位在焦点之外，从而使得可以限制可能是破坏性的光流或者便于几何校正。
[0095]
该聚集器受益于一种方法，该方法允许校正来自可能安装在不完全平坦的表面上的传感器的故障。
[0096]
聚集器装置2可以有利地配备有备用反射镜组件，该备用反射镜组件可以在主反射镜劣化的情况下手动或自动更换，以便避免在太阳能生产期间的任何干预或中断。
[0097]
为了避免或限制反射镜的任何劣化，可以设想例如锥体形式的外围保护。所述保护还用于避免燃烧可能存在于通量中的鸟类或昆虫。
[0098]
在强风或强力阵风期间，聚集器组件的支撑臂可能移动或振动，并因此损失聚焦的质量。然而，本发明使得由于非常短的响应时间和聚集反射镜的大的变形幅度而可以实时补偿引起的大变化，或者甚至通过应用期望的校正来预期任何运动。
[0099]
此外，根据本发明的装置可以具有允许校正由于所使用的宽太阳光谱引起的色差的方法，该方法包括针对波长范围形成消色差或复消色差组的校正光学层或元件，例如使用补偿色差的不同折射率的光学双合透镜或元件来实现。聚集器可以理想地具有类似于传感器的形状，从而优化“主动”表面并增加与传感器的光学相关性。